Une équipe de recherche coréenne a mis au point une méthode de conception de matériaux qui, en modifiant uniquement l’ordre d’empilement d’atomes de même nature et en même quantité, ajoute de nouvelles fonctions tout en préservant les avantages propres au matériau. Cette avancée est considérée comme une technologie de base qui pourrait déboucher sur le développement de composants électroniques de nouvelle génération, de films isolants pour semi-conducteurs et de capteurs thermiques.
 [코리안투데이] Schéma illustrant la mise en œuvre de la polarité par gradient atomique sélectif et image obtenue par microscopie électronique à résolution atomique © 장형임 기자 |
Le ministère des Sciences et des TIC (vice-Premier ministre et ministre des Sciences et des TIC, Bae Kyung-hoon) a annoncé qu’une équipe de recherche conjointe réunissant les professeurs Lee Dae-su, Lee Gil-ho et Choi Si-young de l’Institut supérieur des sciences et technologies de Pohang (POSTECH), ainsi que le professeur Park Se-young de l’Université Soongsil, avait réussi à conférer de nouvelles fonctions à un métal et à un matériau isolant ultramince en concevant avec précision l’agencement de la composition des couches atomiques. Ces résultats de recherche ont été publiés le 2 octobre (heure locale : jeudi 1er octobre, 14 h, EDT) dans Science, la revue la plus prestigieuse au monde. L’article s’intitule ‘Synergistic polar states by selective atomic gradients’.
Jusqu’à présent, pour fabriquer des matériaux fonctionnels, on recourait principalement à l’ajout de nouveaux éléments ou à la modification des proportions des éléments existants. Mais comme les fonctions initiales du matériau pouvaient être altérées, voire disparaître, au cours de l’acquisition de nouvelles propriétés, il n’était pas aisé d’ajouter des fonctions tout en conservant les avantages. En particulier, il était difficile pour un métal de présenter une ‘polarité’, c’est-à-dire un agencement des atomes orienté dans une seule direction, tout en conservant sa bonne conductivité électrique ; quant aux matériaux isolants ultraminces, plus ils devenaient fins, plus le courant avait tendance à fuir, ce qui limitait la possibilité d’obtenir simultanément une faible épaisseur et une haute performance d’isolation.
L’équipe a conçu une méthode dite du ‘gradient atomique sélectif’ (Selective Atomic Gradient), qui consiste à laisser inchangés les atomes liés aux propriétés électroniques du matériau tout en faisant varier légèrement, couche atomique par couche atomique et dans le sens de l’épaisseur, la proportion de certains atomes de tailles différentes. À la manière d’un dégradé de couleur qui change progressivement, le fait d’introduire une différence de proportion atomique dans le sens de l’épaisseur a fait que les atomes se sont légèrement déplacés d’un côté, créant une polarité à l’intérieur du matériau. Lorsque l’on inversait l’ordre d’agencement des couches atomiques, la direction de la polarité s’inversait également, et cette directionnalité n’apparaissait pas dans un matériau où des atomes de même nature et en même quantité étaient mélangés de façon homogène.
L’équipe a d’abord appliqué cette méthode à un film métallique de (Sr,Ca)IrO₃, bon conducteur du courant. Résultat : tout en conservant son caractère métallique, le matériau présentait une résistance différente selon que le courant circulait dans un sens ou dans le sens inverse, et le fait de modifier l’ordre d’agencement des couches atomiques inversait aussi le sens de cette différence de résistance. Les chercheurs ont ainsi confirmé qu’il était possible de régler la directionnalité électrique du matériau dès l’étape de fabrication.
En appliquant ensuite la même méthode à un matériau isolant ultramince de (Ba,Ca)TiO₃ d’environ 5,1 nanomètres (nm) d’épaisseur, le courant de fuite traversant le film a fortement diminué, tandis que la capacité à stocker l’énergie électrique s’est maintenue à un niveau élevé. En particulier, la performance de conversion des variations de température en signal électrique s’est révélée environ 100 fois supérieure à celle d’un film de référence représentatif d’épaisseur comparable, et l’inversion de l’ordre d’agencement des couches atomiques inversait également le sens du signal électrique généré par les variations de température.
L’intérêt de cette avancée ne réside pas dans la découverte d’un nouveau matériau à haute performance en particulier, mais dans le fait d’avoir proposé ‘l’ordre selon lequel empiler les atomes’ comme nouveau paramètre de conception des matériaux. En confirmant que le même principe fonctionne aussi bien dans un métal, bon conducteur, que dans un matériau isolant, où le courant ne circule presque pas, l’équipe a démontré un large éventail de possibilités d’application. Les chercheurs s’attendent à ce que cette technologie soit mise à profit pour des composants électroniques qui fonctionnent différemment selon le sens du courant, pour la spintronique, pour des films isolants ultraminces destinés aux semi-conducteurs de nouvelle génération à faible courant de fuite, pour des capteurs infrarouges et thermiques détectant les variations de température, ou encore pour les technologies de récupération d’énergie (energy harvesting).
Le professeur Lee Dae-su, qui a dirigé les travaux, a déclaré : ‘Nous avons démontré qu’il est possible d’ajouter de nouvelles fonctions tout en préservant les avantages d’origine d’un matériau, en modifiant uniquement l’ordre d’empilement des atomes, sans ajouter de nouvel élément.’ Il a ajouté : ‘Nous prévoyons désormais d’étendre cette méthode à une plus grande variété de matériaux, comme les matériaux magnétiques et les supraconducteurs, et de mener des recherches de suivi pour la concrétiser dans des composants réels tels que des films isolants ultraminces et des capteurs thermiques.’
Kim Seong-su, directeur de la politique de recherche et développement au ministère des Sciences et des TIC, a souligné : ‘Cette avancée montre que la recherche fondamentale, qui explore les propriétés essentielles de la matière, peut déboucher sur de nouvelles solutions pour la conception des matériaux.’ Il a précisé : ‘Nous ne ménagerons pas notre soutien à la recherche fondamentale afin que les chercheurs puissent explorer de nouveaux principes à partir d’idées créatives et poursuivre des travaux audacieux.’
Cette recherche a été menée avec le soutien du programme de recherche fondamentale (recherche de pointe et centres de recherche leaders) du ministère des Sciences et des TIC. Les auteurs correspondants de l’article sont les professeurs Lee Dae-su, Lee Gil-ho, Choi Si-young et Park Se-young ; les premiers auteurs sont Kim Sang-hyun et Han Ki-jeong, doctorants en cursus intégré à POSTECH, ainsi que les docteurs Hwang Su-yoon et No Ga-hee. Pour toute information, s’adresser au professeur Lee Dae-su du département de physique de POSTECH (054-279-2063) ou à la division de la promotion de la recherche fondamentale du ministère des Sciences et des TIC (044-202-4530).
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